JP6382790B2 - 複数の製造装置を含む製造データ処理システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の製造装置を含む製造データ処理システムに関し、特に複数の製造装置に関係する製造データを処理する製造データ処理システムに関する。
工作機械等の加工機あるいはロボット等の製造装置は単独で使用されていた。これに対して、複数の製造装置を通信路を介して生産計画を作成する上位コンピュータに接続し、上位コンピュータが各製造装置で製造する製品および製品数等を指示し、各製造装置は指示された製品を指示された個数生産することにより、生産資源を効率よく利用して所望の製品を所望の納期で生産する生産システムが提案されている。このような生産システムには、工作機械等の加工機あるいはロボットだけでなく、PLC、搬送機、計測器、試験装置、プレス機、圧入器、印刷機、ダイカストマシン、射出成型機、食品機械、包装機、溶接機、洗浄機、塗装機、組立装置、実装機、木工機械、シーリング装置、切断機等の製造機械、制御装置およびセンサー等が組み込まれる。このような生産システムに組み込まれる装置をFAデバイスと称し、以下FAデバイスとして工作機械、ロボットおよびセンサーを使用する場合を説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
上記のような生産システムでは、複数のFAデバイスに関係する大量の製造データを収集し、処理し、記憶し、さらに処理結果を対応するFAデバイスにフィードバックすることが求められる。そのため、生産システムは、製造データを処理するデータ処理装置、製造データの記憶装置、および各FAデバイスとデータ処理装置の間で製造データを通信するための通信路を有する。製造データは、データベースの形で記憶されるので、以下の説明では記憶装置をデータベースと称する場合がある。
近年、さらに工作機械、ロボットおよび各種センサーが生成する様々なリアルタイムデータを使用した機械学習を行うことが考えられている。例えば、工作機械やロボットの軸の動きや、電流値を使った故障診断機能を機械学習にて実現するといったことである。これにより、オペレータやプログラマの負担を軽減すると共に、熟練のオペレータやプログラマにより実現される品質、効率等を容易に実現することができるようになる。
機械学習を実現するには、データを蓄積するためのデータベースと、データを分析する学習器が必要になる。これまでは、データベースや学習器を実現するためのCPU、メモリ、外部記憶装置等のハードウェア資源を、工作機械、ロボット、あるいは各種センサー等の各FAデバイスに用意し、各FAデバイスにおける学習を行うことが想定されていた。しかし、各FAデバイスにハードウェア資源を設けるとハードウェアコストが高くなる。そこで、データベースや学習器を備えた学習用サーバを用意し、複数のFAデバイスとの間をネットワークで接続し、学習時にはFAデバイスからネットワークを介して学習用のデータを学習用サーバに送信する。学習用サーバでは、学習データを大規模なデータベースに蓄積し、学習器にて学習を行う。学習結果は、学習用サーバからネットワークを介してFAデバイスに送信される。学習用サーバを有するこのようなシステムは、上記の生産システムに類似の構成を有しており、例えば学習器がデータ処理装置に対応するといえる。
さらに、上記の生産システムにおける多数のFAデバイスに関係する製造データは、ビッグデータと呼ばれるものであり、ビッグデータを大規模なデータベースに蓄積し、ネットワークで接続されたサーバでデータの処理を行うクラウドシステムに類似の構成を有するといえる。
特許文献1は、通信路に接続される通信装置および切替制御方法を記載しており、通信装置間に複数の伝送路を設けることで、ある伝送路に障害が発生した場合、他の障害が発生していない伝送路にデータの出力先を切り替えることで、データの送受信を維持する技術を記載している。
特開2014−068110号公報
工作機械、ロボット、あるいは各種センサー等のFAデバイスが生成するリアルタイムデータは膨大であり、工作機械、ロボット、各種センサーが動作し続ける限り、データも生成し続けられる。工作機械、ロボット、各種センサーが数百台、数千台、数万台のリアルタイムデータを処理するためには、超高速ネットワークと、大容量のデータベースと、超高性能なプロセッサが必要となり、そのようなシステムは非常に高価となるという課題があった。
さらに、工作機械、ロボット、各種センサー等のFAデバイスは毎日動作するとは限らない。工作機械やロボットの一部は保守のために停止する必要があったりする。また個々の工作機械、ロボット、各種センサーが生成するデータ量も変動する可能性があるが、ネットワーク、データベース、プロセッサは最大の通信データ量が処理できるものを用意する必要があり、非常にコスト効率が悪いという課題があった。
本発明の目的は、工作機械、ロボット、各種センサー等のFAデバイスに関係する製造データを収集し、処理する製造データ処理システムを提供することである。
特に、本発明の目的は、製造データとして、工作機械、ロボット、各種センサー等のFAデバイスの生成するリアルタイムデータを利用して機械学習を行う製造データ処理システムを提供することである。
本発明の製造データ処理システムは、複数の製造装置と、複数の製造装置に関係する製造データを処理する複数のデータ処理装置と、複数の製造装置と複数のデータ処理装置の間で製造データを通信する複数の通信路と、管理装置と、を有する製造データ処理システムであって、管理装置は、複数の製造装置のそれぞれに関係する製造データを処理するデータ処理装置と、関係する製造データを複数の製造装置のそれぞれとデータ処理装置の間で通信する通信路との組み合わせを、通信路の通信速度および複数のデータ処理装置のそれぞれのデータ処理能力に基づいて決定する、ことを特徴とする。
複数のデータ処理装置の少なくとも一部は学習器を有してもよい。
複数の通信路の接続を切り替えるネットワーク管理装置をさらに有してもよい。
本発明によれば、低コストの分散処理型製造データ処理システムが提供される。
FAデバイスの構成例を示す図である。 FAデバイスに学習機能を持たせる場合の構成を示す図であり、(A)が制御部内に学習器を設けた場合の構成を、(B)が学習器用のコンピュータ付加した場合の構成を示す。 複数のFAデバイスで共通に使用する学習用サーバを設けた製造データ処理システムの従来例の構成を示す図である。 本発明の第1実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。 通信部の構成例を示す。 第1実施形態の製造データ処理システムにおけるFAデバイス群と学習用サーバ群の接続例を示す。 図7は、第1実施形態の製造データ処理システムにおけるFAデバイスと学習用サーバの別の接続例を示す。 本発明の第2実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。 本発明の第3実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。
実施形態を説明する前に、FAデバイスおよび学習器を有するFAデバイスについて説明し、さらに想定されるクラウド型製造データ処理システムに学習器を設けた場合について説明する。
図1は、FAデバイスの構成例を示す図である。
FAデバイス10は、制御対象物(または検出対象物)11と、制御装置12と、を有する。制御装置12は、制御部13と、通信路に接続される通信部15と、を有する。制御部13は、コンピュータにおいてソフトウェアまたはファームウェアにより実現され、通信部15は通信用デバイスおよび通信用ソフトウェアにより実現される。制御部13は、制御対象物11の制御を行うと共に、通信部15および通信路を介して上位のコンピュータや他のFAデバイスの制御装置と通信を行う。
前述のように、FAデバイスは、工作機械等の加工機、ロボット、PLC、搬送機、計測器、試験装置、プレス機、圧入機、印刷機、ダイカストマシン、射出成型機、食品機械、包装機、溶接機、洗浄機、塗装機、組立装置、実装機、木工機械、シーリング装置、切断機等の製造機械、制御装置およびセンサー等であり、制御対象物(または検出対象物)11はこれらのFAデバイスの本体部分である。
図2は、FAデバイスに学習機能を持たせる場合の構成を示す図であり、(A)が制御部内に学習器を設けた場合の構成を、(B)が学習器用のコンピュータ付加した場合の構成を示す。
図2の(A)の構成では、制御装置12は、図1の構成に加えて、学習用データベースを形成するためのメモリ14を有し、制御部13は、内部に学習器16を有する。学習器16は、制御部13を形成するコンピュータのソフトウェアにより実現される。制御部13を形成するコンピュータの処理能力が学習を行うのに十分であれば、図2の(A)の構成でもよいが、一般に制御部13を形成するコンピュータの処理能力は学習器16を実現するには不十分であり、図2の(A)の構成では、十分な学習機能を有する学習器を実現するのは難しい場合がある。
そこで、図2の(B)に示すように、学習器17を実現するコンピュータを制御装置12に搭載することが考えられる。しかし、十分な学習機能を実現するためのデータベース14のメモリ容量および学習器17のコンピュータ処理能力を実現するハードウェア資源は大きく、ハードウェアコストが大きくなるという問題がある。
図3は、複数のFAデバイスで共通に使用する学習用サーバを設けた製造データ処理システムの従来例の構成を示す図である。
図3の製造データ処理システムは、複数のFAデバイス10A〜10−Nと、データベース21および学習器22を含む学習用サーバ20と、複数のFAデバイス10A〜10−Nと学習用サーバ20の間の通信ネットワーク30と、を有する。通信ネットワーク30は、例えばトークンリングのようなリング型ネットワークである。
学習時には複数のFAデバイス10A〜10−Nからネットワーク30を介してデータを学習用サーバ20に送信する。学習用サーバ20では、学習データを大規模なデータベース21に蓄積し、学習器22にて学習を行う。学習結果は、学習用サーバ20からネットワーク30を介して対応するFAデバイスに送信される。
なお、図3の構成は、学習用サーバを設ける場合に限定されず、複数のFAデバイスの製造データを収集して解析し、管理する管理用サーバを、設ける場合にも適用され、その場合には学習用サーバ20の代わりに管理用サーバを設ける。
工作機械、ロボット、あるいは各種センサー等のFAデバイスが生成するリアルタイムデータは膨大であり、工作機械、ロボット、各種センサーが動作し続ける限り、データも生成し続けられる。工作機械、ロボット、各種センサーが数百台、数千台、数万台の規模になると、生成されるデータ量は膨大になり、リアルタイムデータを処理するためには、超高速ネットワークと、大容量のデータベースと、超高性能なプロセッサが必要となり、そのようなシステムは非常に高価となる。ネットワークの通信容量、データベースの容量またはプロセッサの処理能力が不足すれば、所望の処理(学習)が所望のタイミングで行えないことになる。
さらに、図3の構成は、個々の工作機械、ロボット、各種センサーが生成するデータ量も変動する可能性があるが、ネットワーク、データベース、プロセッサは最大の通信データ量が処理できるものを用意する必要があり、非常にコスト効率が悪いという課題があった。以下に説明する実施形態では、製造データとして、工作機械、ロボット、各種センサー等のFAデバイスの生成するリアルタイムデータを処理(学習)する製造データ処理システムが低コストで提供される。
図4は、本発明の第1実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。
第1実施形態の製造データ処理システムは、FAデバイス群40と、第1の通信路71と、複数のネットワーク管理装置73A−73Cと、第2の通信路72と、サーバ群100と、を有する。
図示の例では、FAデバイス群40は、ロボット41Aと、工作機械41Bと、ロボット41Cと、工作機械41Dと、センサー41Eと、を有する。ロボット41A、工作機械41B、ロボット41C、工作機械41Dおよびセンサー41Eは、図1に示すような構成を有し、制御対象物11が対応する本体部であり、制御部13が本体部の制御を行う。例えば、ロボット41Aであれば、制御対象物11はロボットの本体部であり、制御部13はロボットの本体部を制御するロボットコントローラである。なお、FAデバイス群40は、工作機械、ロボット、またはセンサーに限られず、前述の製造機械、制御装置およびセンサー等のいずれでも良い。
サーバ群100は、学習用サーバ50A、50Bおよび50Cと、管理用サーバ53と、を有する。学習用サーバ50A、50Bおよび50Cは、それぞれデータベース51A−51Cと、学習器52A−52Cと、を有する。データベース51A−51Cおよび学習器52A−52Cは、図2の(B)のメモリ(データベース)14および学習器(コンピュータ)17に相当する構成を有する。管理用サーバ53は、全体の管理を行う。
なお、学習用サーバ50A、50Bおよび50Cは、FAデバイス群40に含まれるロボット41A、工作機械41B、ロボット41C、工作機械41Dおよびセンサー41Eの制御部における学習を実行するが、各FAデバイスへの仕事の割り振り等の製造データ処理システム全体における学習を行う場合もある。
また、図示していないが、FAデバイスにおける学習を行う場合には、FAデバイス群40に含まれるロボット41A、工作機械41B、ロボット41C、工作機械41Dおよびセンサー41Eは、学習結果を実行するニューラル通信路等の学習結果実行部を有する場合もある。
また、学習器52A−52Cは、「教師有り学習」、「教師無し学習」、「半教師有り学習」、「強化学習」、「トランスダクション」、「マルチタスク学習」等のいずれのアルゴリズムを利用する学習器であっても、「決定木学習」、「相関ルール学習」、「ニューラルネットワーク」、「遺伝的プログラミング」、「帰納論理プログラミング」、「サポートベクターマシン」、「クラスタリング」、「ベイジアンネットワーク」、「強化学習」、「表現学習」等のいずれの技法を使用する学習器であってもよく、特に制限されない。
いずれにしても、第1実施形態では、複数の学習用サーバが設けられるため、図3に示す1個の学習用サーバを設ける場合に比べて、各学習用サーバに含まれるデータベース51A−51Cを形成する記憶装置の記憶容量および学習器52A−52Cを形成するプロセッサの処理能力を相対的に小さくできる。
ネットワーク管理装置73A−73Cは、第1の通信路71を介してFAデバイス群40に含まれるロボット41A、工作機械41B、ロボット41C、工作機械41Dおよびセンサー41Eのそれぞれと通信可能に接続されており、第2の通信路72を介してサーバ群100に含まれる学習用サーバ50A、50Bおよび50Cおよび管理用サーバ53のそれぞれと通信可能に接続されており、第1の通信路71および第2の通信路72の接続を制御する。なお、ここでは複数のネットワーク管理装置はすべてのFAデバイスおよびすべての学習用サーバに接続されるように示しているが、接続されないFAデバイスおよび学習用サーバがあってもよい。また、ここでは複数のFAデバイスおよび複数の学習用サーバはすべてのネットワーク管理装置に接続されるように示しているが、接続されないネットワーク管理装置があってもよい。さらに、ネットワーク管理装置73A−73Cを1個にまとめたネットワーク管理装置としてもよい。
第1の通信路71および第2の通信路72は、自由に有効にしたり、無効にしたりすることが可能な比較的低速度のネットワークである。
図5の(A)は、FAデバイス41A−41E、学習用サーバ50A−50Cまたは管理用サーバ53に設けられる通信部の構成を、図5の(B)は、ネットワーク管理装置73A−73Cのそれぞれに設けられる通信部の構成を、示す。
図5の(A)に示すように、FAデバイス41A−41E、学習用サーバ50A−50Cまたは管理用サーバ53の通信部は、接続される第1の通信路71または第2の通信路72の本数分の通信ポート83A、83B、…83Mと、通信制御部81と、を有する。通信制御部81は、通信データを一時的に蓄積するバッファメモリ82を有し、制御部からの送信データを通信ポート83A、83B、…83Mの何れかに出力し、通信ポート83A、83B、…83Mからの受信データを制御部に出力する。
図5の(B)に示すように、ネットワーク管理装置73A−73Cのそれぞれは、接続される第1の通信路71の本数分の通信ポート86A、86B、…86Lと、第2の通信路72の本数分の通信ポート87A、87B、…88Pと、通信路切替部85と、を有する。通信路切替部85は、通信ポート86A、86B、…86Lと通信ポート87A、87B、…88Pの接続を切り替える。なお、通信路切替部85は、通信ポート86A、86B、…86Lのいずれかを通信ポート86A、86B、…86Lの他のいずれかに接続するように切り替え、通信ポート87A、87B、…88Pのいずれかを通信ポート87A、87B、…88Pの他のいずれかに接続するように切り替えるようにしてもよい。これにより、FAデバイス同士の通信が可能になり、または学習用サーバ同士および学習用サーバと管理用サーバとの通信が可能になる。
第1実施形態の製造データ処理システムでは、管理用サーバ53からの問い合わせに応じて、FAデバイス41A−41Eのそれぞれは、学習用データの生成速度(データ容量/秒)を管理用サーバ53に通知する。管理用サーバ53からの問い合わせに応じて、各学習用サーバ52A−52Cのそれぞれは、学習用データの処理速度(データ容量/秒)を管理用サーバ53に通知する。管理用サーバ53からの問い合わせに応じて、ネットワーク管理装置73A−73Cは、各通信路の学習用データの通信可能速度(データ容量/秒)を管理用サーバ53に通知する。これら通知を元に、管理用サーバ53は、各FAデバイスに対して、学習用データを、どの学習用サーバに送信するかを通知する。管理用サーバ53は、ネットワーク管理装置73A−73Cに対して、有効にする通信路と無効にする通信路を通知し、有効な通信路を使ってどのFAデバイスとどの学習用サーバを接続するかを通知する。管理用サーバ53は、学習用サーバに、FAデバイスから送られた学習用データが処理能力を超えた場合に、どの学習用サーバに学習用データを転送するかを通知する。このように管理用サーバ53は、FAデバイス、通信路(ネットワーク管理装置)、1個または複数の学習用サーバの組み合わせを決定する。各FAデバイスの学習用データの生成速度、各通信路の通信可能速度、学習用サーバの学習用データの処理速度が動的に変化する場合は、適宜管理用サーバ53に通知して、FAデバイス、通信路(ネットワーク管理装置)、1個または複数の学習用サーバの組み合わせを動的に変更してもよい。
図6は、第1実施形態の製造データ処理システムにおけるFAデバイス群と学習用サーバ群の接続例を示す。
図6の例では、FAデバイス44Aは、第1の通信路71A、ネットワーク管理装置74Aおよび第2の通信路72Aを介して、データベース55Aおよび学習器56Aを有する学習用サーバ54Aに接続される。また、FAデバイス44Dは、第1の通信路71D、ネットワーク管理装置74Cおよび第2の通信路72Dを介して、データベース55Cおよび学習器56Cを有する学習用サーバ54Cに接続される。
これに対して、FAデバイス44Bおよび44Cは、第1の通信路71Bおよび71Cを介してネットワーク管理装置74Bに接続され、さらにネットワーク管理装置74Bは、第2の通信路72Bを介して、データベース55Bおよび学習器56Bを有する学習用サーバ54Bに接続される。
図6の例は、FAデバイス44Aおよび44Dにおいて生成される学習データが、学習用サーバ54Aおよび54Cでそれぞれ処理するのに適しており、学習用サーバ54Bの処理能力がFAデバイス44Bおよび44Cにおいて生成される学習データを処理するのに十分な場合に実現される。もちろん、各通信路が必要なデータを通信できることも必要である。例えば、第2の通信路72Bは、通信速度が速く、FAデバイス44Bおよび44Cにおいて生成される学習データを通信可能な通信速度を有する。
図7の(A)および(B)は、第1実施形態の製造データ処理システムにおけるFAデバイスと学習用サーバの別の接続例を示す。
図7の(A)は、FAデバイス46において生成される学習データが大きく、それを処理するためにFAデバイス46を処理能力の大きな学習用サーバ57Aに接続する。しかし、1本の第1の通信路および1本の第2の通信路では通信速度が不足するため、FAデバイス46は、2本の第1の通信路71Eおよび71Fと、2個のネットワーク管理装置76Aおよび76Bと、2本の第2の通信路72Eおよび72Fと、を介して学習用サーバ57Aに接続される。
図7の(B)は、FAデバイス48において生成される学習データが大きく、それを処理するために2個の学習用サーバ60Aおよび60Bに接続する。第1の通信路71Gは、FAデバイス48において生成される学習データを通信するのに十分な通信速度を有する。ネットワーク管理装置78は、学習データを学習用サーバ60Aおよび60Bに通信するように、第1の通信路71Gを第2の通信路72Gおよび72Hに接続する。
以上説明したように、第1実施形態の製造データ処理システムにおいては、FAデバイス、第1および第2の通信路、ネットワーク管理装置および学習用サーバの組み合わせを、管理用サーバ53が、FAデバイスの学習データの生成速度、通信路の通信速度、学習用サーバにおけるデータベースの空き容量、学習器のデータ処理能力を元に決める。したがって、接続例は、図6および図7に示した以外にも各種あり得る。
第1実施形態では、各FAデバイスにおける学習用データの生成速度を元に、管理用サーバは、FAデバイス、通信路、ネットワーク管理装置、学習用サーバ群の組み合わせを決定していたが、FAデバイスが持つ学習用データ量と、学習用サーバのデータベースが持つ未処理の学習用データ量を元に、FAデバイス、通信路、ネットワーク管理装置、学習用サーバ群の組み合わせを決定してもよい。
また、FAデバイス、学習用サーバ、ネットワーク管理装置は、管理用サーバ53からの問い合わせがなくても、自主的に管理用サーバ53にデータを通知してもよい。あるいは、管理用サーバ53がデータ量に関する情報を予め持っていてもよい。
また、学習用サーバで行われる学習器による機械学習が一括分析(バッチ処理)ではなく、逐次分析(リアルタイム処理)の場合は、学習用サーバにデータベースを設けることは不要で、小容量なバッファを経由して、直接ネットワークからの学習用データを学習器が処理してもよい。
また、第1の通信路71および第2の通信路72が、自由に有効にしたり、無効にしたりすることが可能な比較的低速度のネットワークである例を説明したが、トークンリングのようなリング状通信ネットワークを使用することもできる。その場合、複数のリング状通信ネットワークを設け、複数のFAデバイスおよび複数の学習用サーバのそれぞれは、複数のリング状通信ネットワークに接続され、一部のリング状通信ネットワークをあるFAデバイスとある学習用サーバの間の通信専用とするが、残りのFAデバイスおよび学習用サーバは、残りのリング状通信ネットワークを利用して通信可能にする。
図8は、本発明の第2実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。
第2実施形態の製造データ処理システムは、サーバ群200が、学習用サーバ63A−63Cと接続される管理用サーバ66を有することが第1実施形態と異なり、他は第1実施形態と同じである。
第1実施形態では、管理用サーバは、学習用サーバと同レベルで対等な立場であった。これに対して、第2実施形態では、管理用サーバ66は、学習用サーバ63A−63Cの上位にあり、学習用サーバ63A−63C、第2の通信路およびネットワーク管理装置73A−73Cを介してFAデバイス群40の各FAデバイスと通信する。
図9は、本発明の第3実施形態の製造データ処理システムの構成を示す図である。
第3実施形態の製造データ処理システムは、サーバ群300が、第2の通信路72を介してネットワーク管理装置73A−73Cに接続される管理用サーバ67を有し、学習用サーバ68A−68Cは、管理用サーバ66を介して第2の通信路72等に接続されることが第1実施形態と異なり、他は第1実施形態と同じである。
第3実施形態では、管理用サーバ67は、学習用サーバ68A−68Cの下位にあり、学習用サーバ68A−68Cは、管理用サーバ67、第2の通信路72、ネットワーク管理装置73A−73Cおよび第2の通信路71を介してFAデバイス群40の各FAデバイスと通信する。
以上の第1から第3実施形態では、ここではサーバ群が学習用サーバを有する例を示したが、学習用サーバの代わりに製造データ解析用サーバを設けて、FAデバイス群40に含まれるFAデバイスの製造データを解析することも可能である。
41A−41E FAデバイス
50A−50C 学習用サーバ
51A−51C データベース
52A−52C 学習器
53 管理用サーバ
71 第1の通信路
72 第2の通信路
73A−73C ネットワーク管理装置

Claims (2)

  1. 複数の製造装置と、前記複数の製造装置に関係する製造データを処理する複数のデータ処理装置と、前記複数の製造装置と前記複数のデータ処理装置の間で前記製造データを通信する複数の通信路と、管理装置と、を有する製造データ処理システムであって、
    前記複数のデータ処理装置の少なくとも一部は学習器及びデータベースを有し、
    前記管理装置は、前記複数の製造装置のそれぞれに関係する製造データを処理する前記複数のデータ処理装置と、関係する前記製造データを前記複数の製造装置のそれぞれと前記複数のデータ処理装置の間で通信する前記複数の通信路との組み合わせを、前記複数の製造装置の学習データの生成速度、前記複数の通信路の通信速度、前記データベースの空き容量、および前記学習器のデータ処理能力に基づいて決定する、ことを特徴とする製造データ処理システム。
  2. 前記複数の通信路の接続を切り替えるネットワーク管理装置をさらに有する請求項1に記載の製造データ処理システム。
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